天津大港濱海濕地溢油漂移擴散數(shù)值模擬研究

吳亞楠，武賀，張松，汪小勇，繳建華，李彤，白明

（1.國家海洋技術中心，天津　300111；2.農業(yè)部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗測試中心，天津　300221）

天津大港濱海濕地溢油漂移擴散數(shù)值模擬研究

吳亞楠1，武賀1，張松1，汪小勇1，繳建華2，李彤2，白明2

（1.國家海洋技術中心，天津300111；2.農業(yè)部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗測試中心，天津300221）

利用MIKE-HD建立二維水動力模型，模擬分析夏季天津大港濱海濕地附近海域水動力特性，采用實測潮位、潮流數(shù)據(jù)對模擬計算結果進行驗證。在獲得水動力數(shù)據(jù)的基礎上，針對南港工業(yè)區(qū)船舶通航量加大的趨勢，利用MIKE-SA模塊建立溢油擴散模型，對溢油事故進行預測。結果表明，在風、潮的綜合影響下，低潮時刻溢油24 h后的擴散面積比高潮時刻大，其中SW常風情況下其擴散面積最大，達72.04 km2；當風向與潮流方向一致時，即本文中低潮時刻溢油，油膜中心運動速度最大，擴散面積也最大。

天津大港濱海濕地；水動力；溢油；擴散

海上溢油擴散，受到海洋、大氣和太陽輻射等多種環(huán)境因子的共同影響，運動狀態(tài)十分復雜。溢油事故對海洋生態(tài)環(huán)境帶來很大影響，盡管溢油事故發(fā)生的概率較小，還需要引起足夠的重視。溢油在短時間內注入海域，嚴重影響到海-氣相互作用的每一個過程（曲維政等，2002），引起水質的惡化，嚴重影響水域的環(huán)境（景偉文等，2008）；原油在流和風共同作用下移動，當漂移擴散到海岸時對其周圍海域的生態(tài)系統(tǒng)有著致命性的危害，盡管生物修復技術的發(fā)展對污染程度有了一定的緩解（鄭立等，2012；胥九兵等，2009；黃廷林等，2009），但提前的預報更有助于對溢油事故進行有效控制。因此，預測溢油油膜漂移過程有著非常重要的實際意義。

天津大港濱海濕地海洋特別保護區(qū)位于天津市濱海新區(qū)大港近海區(qū)域，濕地總面積44 240 km2。由于近年來大規(guī)模的濕地開發(fā)、石油開采、農田開墾、城鎮(zhèn)建設使天然濕地面積大幅度減少，現(xiàn)存濕地只有原來的16.3%，加大海域海岸帶整治已經(jīng)勢在必行。根據(jù)《天津市海洋功能區(qū)劃（2011-2020年）》，天津海域劃分為漢沽毗鄰海域、塘沽毗鄰海域、大港毗鄰海域3個海域單元。大港岸段主要功能依次為工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)、海洋保護區(qū)和農漁業(yè)區(qū)，大港濱海濕地海洋特別保護區(qū)緊鄰南港工業(yè)區(qū)，見圖1，地理坐標位于117°39′04″E，38°39′08″N附近。而此海域船舶通航量的增加，必然會加大船舶溢油事故發(fā)生的概率。

圖1　天津市海洋功能區(qū)劃圖（2011-2020年）

根據(jù)溢油模型的數(shù)學計算理論不同，溢油模型主要有兩個類型，歐拉—拉格朗日理論和蒙特卡羅方法模型。郭良波（2011）采用Backhouse三維水動力模型對番禺附近海域的潮流進行了模擬，并在此基礎上采用歐拉—拉格朗日追蹤方法，進行油膜中心軌跡的預測。臧士文（2011）利用FVCOM海洋模型和基于拉格朗日追蹤法的“油粒子”模型對大連新港輸油管線爆炸引起的溢油進行了模擬。OI同化技術的加入也提高了溢油預報的準確度。潘沖（2011）、許婷等（2011）、黃毅峰等（2011）分別對長江口、廈門港、甌江口航道海域進行過溢油模擬預測。婁安剛（2000）對蒙特卡羅方法在海洋溢油擴展預測中的應用進行了研究。龍新峰等（2011）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對奧里油溢油擴散面積進行了預測，與實驗測得的結果最大相對誤差為0.88%。郎印海等（2011）也利用BP網(wǎng)絡對海上石油平臺溢油污染等級進行了評估。

本文首先采用MIKE-HD模塊建立渤海灣的潮流數(shù)值模型，對大港濱海濕地附近海域流場進行模擬，并采用實測資料對計算結果進行驗證（測站位置見圖2）；進而利用MIKE-SA模塊建立溢油模型，對溢油擴散進行數(shù)值預測，為天津市溢油事故緊急方案提供技術依據(jù)。

圖2 測站示意圖

1　水動力模擬

應用MIKE-HD模塊進行水動力模擬計算，其計算結果提供給MIKE-SA模塊作為動力驅動數(shù)據(jù)，水動力計算結果的準確度對溢油擴散模擬結果的合理性有很大影響。

1.1控制方程組

連續(xù)方程：

動量方程：

式中，x、y為直角坐標系坐標；t為時間；h為水深（基準面到床面的距離）；ζ為潮位（基準面到自由水面的距離）；u、v分別為x、y方向的垂線平均流速分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；Ex、Ey分別為x、y方向的水平紊動粘性系數(shù)；τbx、τby分別為波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分別為各方向的波浪輻射應力。

1.2模型搭建

模型采用非結構三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，以更好地適應復雜岸線變化情況，計算區(qū)域為渤海灣，共計18 264個網(wǎng)格點、34 814個網(wǎng)格單元，模型計算的網(wǎng)格地形見圖3，圖4為工程區(qū)附近海域地形網(wǎng)格圖。

1.3實測數(shù)據(jù)分析

為了更好地調查海域的潮汐、流場特征，并供數(shù)值模型驗證，設置了觀測站，觀測時間從2015年夏季5月22日至6月26日，觀測站位于津冀交界附近的大港濱海濕地海洋特別保護區(qū)附近海域，具體位置為：117°47′25.058″E，38°38′28.230″N，如圖2所示。根據(jù)本次測驗的資料，表1列出了平均流速和流向的統(tǒng)計結果，在垂向上無論大、中、小潮，均表現(xiàn)為表層、中層流速大于底層流速，最大流速均發(fā)生在表層。隨著深度的增加，流速呈現(xiàn)遞減的趨勢。對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計調和分析得到，測站潮汐應屬混合潮中的不正規(guī)半日潮型，見測站潮汐特性一覽表2；潮流應屬于正規(guī)淺海半日潮流類型，見（WK1+WO1）/WM2統(tǒng)計表3；漲落潮流的主體方向為西南偏西-東北偏東，并繪制了流速流向頻率分布玫瑰圖，如圖5所示。

圖3　計算海域水深地形網(wǎng)格

圖4　工程區(qū)附近海域水深地形網(wǎng)格

1.4模型驗證

為驗證所建潮流模型的模擬精度，采用2015年6月1日15時-6月5日0時在渤海灣海域設置的1個潮位、潮流監(jiān)測點所得的資料進行驗證。由潮位（圖6）和潮流（圖7-圖9）驗證結果可以得出，模擬海域潮流與實測潮流之間吻合良好，其中，水位絕對誤差約為19 cm，流速絕對誤差6 cm/s，流向絕對誤差為12°。總體上看，本海域建立的數(shù)值模型是正確的，由此得到的計算結果也是可信的，它能夠比較真實的反映該海域海水的運動規(guī)律。

表1　測站平均流速、流向統(tǒng)計表

表2　測站潮汐特性一覽表

表3?。╓K1+WO1）/WM2統(tǒng)計

圖5　流速流向頻率分布玫瑰圖

圖6　測站潮位驗證圖

圖7　測站小潮垂向平均潮流驗證圖

圖8　測站中潮垂向平均潮流驗證圖

圖9　測站大潮垂向平均潮流驗證圖

2　溢油擴散模擬

2.1預測方案

利用MIKE-SA模塊建立大港濱海濕地海域溢油預測模型，采用矩形網(wǎng)格，應用“油粒子”模型模擬擴散、漂移、風化等過程，對溢油泄露事故進行預測。本文主要考慮潮流和風兩項最重要因素，潮流數(shù)據(jù)源自MIKE-HD模塊的計算結果（因計算潮流場時未在HD模塊中加入風場數(shù)據(jù)，所以該計算結果中未包含風生流的影響）。利用MIKE-SA模塊預測溢油漂移擴散過程時加載風場數(shù)據(jù)，其中風數(shù)據(jù)取自塘沽站1997-2006年（共計10年）氣象觀測數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計結果表明，渤海灣區(qū)域海面風場采用主導風向SW、E，風潮組合工況見表4?？紤]到港池前沿與航道連接處發(fā)生船舶碰撞事故導致溢油的概率大，所以將溢油源布放于此處，溢油源位置見圖10，采用點源連續(xù)排放，溢油持續(xù)時間為10 h，10 h后由于人為補救措施溢油停止。

表4　溢油風潮組合工況

圖10　溢油源位置示意圖

2.2油膜運動擴散范圍分析

2.2.1無風情況

高潮時刻溢油，此時刻開始落潮，大量油粒子圍繞南港工業(yè)區(qū)外沿旋轉運動，并有大量油粒子進入港池內部，油粒子大約在30 h后抵岸，主體運動方向為E-W。

低潮時刻溢油，此時刻開始漲潮，油粒子未抵岸，但有大量溢油進入南港工業(yè)區(qū)港池內部，在潮流作用下做往復性運動，油粒子的主力運動方向為E-W。

無風情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴散范圍見圖11。

2.2.2SW常風情況

圖11　無風情況溢油粒子擴散范圍

高潮時刻溢油，此時刻開始落潮，大量油粒子圍繞南港工業(yè)區(qū)外沿旋轉運動，并有大量油粒子進入港池內部，油粒子大約在24 h后抵岸，在SW常風和潮流的共同作用下，主體運動方向為NNESSW，并且油粒子抵達了天津港區(qū)，有較大影響。

低潮時刻溢油，此時刻開始漲潮，油粒子18 h后抵岸，同時有大量溢油進入南港工業(yè)區(qū)港池內部，并在SW風和潮流共同作用下，油粒子的主力運動方向為NNE-SSW。并且油粒子抵達了天津港區(qū)，有較大影響。

SW常風情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴散范圍見圖12。

圖12SW常風情況溢油粒子擴散范圍

2.2.3E強風情況

高潮時刻溢油，此時刻開始落潮，油粒子大約在22 h后抵岸，大量油粒子進入港池內部，在E強風和潮流的共同作用下，溢油發(fā)生后24 h內，油粒子主體運動方向為E-W，抵岸后，在沿岸流作用下，油粒子沿岸NNW-SSE方向運動，并且向SSE方向輸移。

低潮時刻溢油，此時刻開始漲潮，油粒子17 h后抵岸，同時有大量溢油進入南港工業(yè)區(qū)港池內部，并在E強風和潮流共同作用下，油粒子向岸運動，抵岸后，在沿岸流作用下油粒子沿岸輸移。油粒子除了在潮流影響下的E-W向往復運動，還有沿岸的NNW-SSE運動方向，但隨著時間推移，進入海洋保護區(qū)內的油粒子向SSE方向沿岸向下輸移。此風向下發(fā)生溢油事故對南港工業(yè)和濱海濕地海洋特別保護區(qū)的影響十分嚴重。

E強風情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴散范圍見圖13。

圖13　E強風情況溢油粒子擴散范圍

溢油擴散面積S=S0·N，S0其中為單個矩形網(wǎng)格的面積，N為溢油油膜覆蓋的網(wǎng)格數(shù)。溢油事故24小時后擴散面積估算值見表5。

表5　溢油事故24小時后擴散面積估算（km2）

3　結語

（1）本文首先采用MIKE-HD模塊建立了渤海灣的潮流數(shù)值模型，對大港濱海濕地附近海域流場進行了模擬，并采用實測資料對計算結果進行驗證；驗證結果表明：計算值與實測值吻合較好，本文建立的潮流數(shù)值模型是可靠的。

（2）利用MIKE-HD模塊的水動力計算結果和MIKE-SA模塊建立溢油模型，對溢油擴散進行了數(shù)值預測。結果表明：在風、潮的綜合影響下，低潮時刻溢油24 h后的擴散面積比高潮時刻大，其中SW常風情況下其擴散面積最大，達72.04 km2。

（3）根據(jù)擴散面積估算值，可以得到，風、潮工況對油膜運動軌跡影響很大，當風向與潮流方向一致時，油膜中心運動速度較大，油膜中心點間距較大，擴散面積也較大；而當風向與潮流方向相反時，油膜運動方向甚至會與潮流方向相反，不同的風向直接導致油膜漂移方向不同。

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（本文編輯：袁澤軼）

Numerical simulation study of oil spilling drift and diffusion in Dagang coastal wetland of Tianjin

WU Ya-nan1,WU He1,ZHANG Song1,WANG Xiao-yong1,JIAO Jian-hua2,LI Tong2,BAI Ming2

（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China;2.SupervisingandTesting Center of Fishery Environment andAquaticProducts Quality，Ministry of Agriculture,Tianjin 300221,China）

A 2-D hydrodynamic model was established using MIKE-HD to simulate hydrodynamic properties in Dagang coastal wetland of Tianjin at summer.The numerical results were verified by measured data.According to the obtained hydrodynamic data,MIKE-SA modelwas established to predict the environmental influence,which was induced by oil spilling accidents under the background of the increasing shipping around Nangang Industrial Zone.Results showed that both wind and tide had great effect on the prediction of oil spill trajectories,and after spilling for 24 h,the diffusion area at low tide was larger than that at high tide.Under the effect of SW wind,the direction of prevailing wind,the diffusion area became 72.04 km2,which was the largest one.While the wind direction was same as the tidal current direction and the oil spilling was at the low tide,the center of oil slick had the largest speed,hence,the diffusion area was largest.

Dagang coastal wetland of Tianjin;hydrodynamic;oil spilling;diffusion

X55

A

1001-6932（2016）05-0579-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.05.012

2015-11-06；

2015-12-30

天津大港濱海濕地海洋特別保護區(qū)生境評價與海洋生物資源適應性研究 （KJXH2014-21）。

吳亞楠（1987-），男，碩士，實習研究員，主要從事海洋環(huán)境水動力研究。電子郵箱：hdwuyanan@163.com。

繳建華，博士，研究員。電子郵箱：litong19692006@163.com。